Minitab là phần mềm thống kê ứng dụng được phát triển ở Đại học Pennsylvania bởi Barbara F. Ryan, Thomas A. Ryan, Brian L. Joiner năm 1972. Minitab là phiên bản thu gọn của phần mềm OMNITAB và phần mềm phân tích thống kê của NIST.
Từ thành công của phần mềm này, những người phát triển phần mềm đã sang lập ra công ty Minitap Inc vào năm 1983. Công ty này đặt trụ sở chính tại trường đại học Pennsylvania, có chi nhánh tại Coventry, Anh (Minitab Ltd), Paris, Pháp (Minitab SARL) và Sydney, Úc ( Minitap Pty).
Công dụng của Minitab:
- Hỗ trợ phân tích: Phân tích hệ thống đo lường; Phân tích khả năng; Phân tích đồ họa; Kiểm tra giả thuyết hồi quy DOE; Bảng kiểm soát.
- Các dạng biểu đồ: Scatterplots, ma trận lô, ô vuông, dấu chấm, biểu đồ, biểu đồ, sơ đồ chuỗi thời gian, v.v.
- Thực hiện nhiều phương pháp thống kê cơ bản: Thống kê mô tả, thử nghiệm Z một mẫu, thử nghiệm t một và hai mẫu, thử nghiệm t cặp; Một và hai tỷ lệ kiểm tra; Các thử nghiệm tỷ lệ Poisson một và hai mẫu; Một và hai bài kiểm tra phương sai; Tương quan và hiệp phương sai; Kiểm tra định mức; Kiểm tra ngoại lệ; Kiểm tra mức độ phù hợp của Poisson.
- Các phương pháp hồi quy: Hồi quy tuyến tính và phi tuyến tính; Nghiên cứu ổn định…
- Phân tích phương sai: Anova; Kiểm tra phương sai bằng nhau; Mô hình hỗn hợp…
- Phân tích các hệ thống đo lường: Bảng tính thu thập dữ liệu; Biểu đồ chạy Gage… - Công cụ chất lượng: Biểu đồ kiểm soát đa biến; Biểu đồ kiểm soát thời gian: MA, EWMA; …
- Các thiết kế thí nghiệm: Sàng lọc dứt khoát; thiết kế giai thừa hai cấp; thiết kế Taguchi...
40
Hình 3. 2 Phần mềm Minitap 19 mới nhất [34]
Hình 3. 3 Vẽ đồ thị của phần mềm [34]
41
CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG SỐ VÀ XỬ LÍ SỐ LIỆU 4.1 Mô phỏng số
4.1.1 Xây dựng mô hình ống đa diện
4.1.1.1 Giới thiệu về phần mềm inventor
Autodesk Inventor, được phát triển bởi công ty phần mềm Autodesk _USA, là phần mềm thiết kế 3D cơ khí dạng mô hình khối rắn, phần mềm này dùng để tạo ra nguyên mẫu kỹ thuật số 3D giúp hình dung, thiết kế và mô phỏng các sản phẩm trên môi trường 3D. Các công cụ mô phỏng, phân tích được tích hợp trong Inventor cho phép người dùng thiết kế từ khuôn đúc cơ bản đến nâng cao như thiết kế chi tiết máy, trực quan hóa sản phẩm. Inventor còn được tích hợp CAD và các công cụ giao tiếp thiết kế nhằm nâng cao năng suất làm việc của CAD và giảm thiếu phát sinh lỗi, tiết kiệm thời gian.
Để giảm bớt khối lượng cho các nhà thiết kế phần mềm Inventor cho ta module Design Accelerator là module dùng để tính toán và thiết kế các chi tiết điển hình như: trục, bánh răng, then, lò xo, bulong, đai ốc.
*Sau đây là các chức năng của Inventor:
- Phần mô hình hóa (modeling) kết hợp giữa mô hình khối đặc và bề mặt để tạo ra một loạt các dạng hình học phức tạp. Công cụ tạo vân sọc và các công cụ phân tích quang phổ có thể được sử dụng để kiểm tra độ tiếp tuyến, liên tục và độ cong. Người dùng có thể tạo ra các chi tiết tái sử dụng lại trong các dự án khác nhau.
- Phần lắp ráp (assembly) thiết kế kết hợp giữa chi tiết và cụm chi tiết. Người dùng có thể kiểm tra xung đột giữa các chi tiết.
- Phần thiết kế đường ống (Pipe & Tube): giúp người dùng thiết kế ống chạy phức tạp trong không gian chật hẹp. Nó bao gồm một thư viện với các phụ kiện đường ống theo tiêu chuẩn công nghiệp. Người thiết kế chỉ việc chạy đường dẫn sau đó chỉ định thuộc tính của các đường dẫn bằng thư viện các đường ống và phụ kiện đường ống.
- Thiết kế khuôn ép nhựa (Mold design):Được tích hợp phần mềm moldflow chuyên dùng cho phân tích tính toán toàn bộ hệ thống khuôn, đạt độ chính xác cao, phân tích sản phẩm nhựa đa vật liệu, phân tích quá trình ép phun, tương tác biến đổi trường nhiệt độ của sản phẩm và toàn bộ hệ thống khuôn.
42
- Phần kim loại tấm (Sheet Metal) tự động hóa thiết kế nhiều mặt khi làm việc với các bộ phận kim loại tấm. Người dùng có thể tạo ra các mô hình tấm phẳng, điều khiển kim loại tấm gấp, xác lập các thư viện, tùy chỉnh kim loại và tạo ra các bản vẽ sản xuất để hỗ trợ hoạt động sản xuất tấm kim loại.
- Phần thiết kế khung (Frame Generator) giúp người dùng thiết kế và phát triển khung hàn cho các ứng dụng máy móc công nghiệp. Nó xây dựng kết cấu khung bằng cách thả chi tiết vào khung dây đã được xác định trước. Công cụ sinh khung đơn giản hoá khung về dạng khung dây và sau khi thiết kế xong khung dây chỉ việc xác lập lại các thành phần theo thư viện thép hình sẵn có.
- Phần Cable (Cable &Wiring) Cho phép sử dụng một thư viện các loại dây điện và cáp điện để chạy dây với bán kính uốn phù hợp trong các thiết kế điện. Cho ta mô hình của thiết kế sát thực nhất.
- Phần mô phỏng chuyển động tích hợp mô phỏng và phân tích ứng suất (Dynamic and Stress Analysis). Được dùng để mô phỏng và dự đoán trước các phản ứng của thiết kế đối với các tác động vật lý trong môi trường thực. Nhờ đó tối ưu hóa thiết kế.
- Khả năng kết hợp và trao đổi dữ liệu với các phần mềm khác Inventor sử dụng các định dạng tập tin cụ thể cho các chi tiết (IPT), cụm (IAM), và bản vẽ (IDW hoặc DWG). Tập tin có thể được nhập hoặc xuất trong định dạng DWG. Định dạng bản vẽ trên Web (DWF) được ưa thích của Autodesk 2D/3D có thể dùng để trao đổi dữ liệu dễ dàng. Inventor có thể trao đổi dữ liệu với hầu hết các phần mềm được phát triển bở Autodesk. Ngoài ra Inventor có thể trao đổi dữ liệu với các ứng dụng như CATIA V5, UGS, SolidWorks, và ENGINEER / Pro. Inventor hỗ trợ nhập trực tiếp và xuất của CATIA V5, JT 6, JT 7, Parasolid, Granite, UG-NX, SolidWorks, Pro / E, với các tập tin SAT. Inventor cũng có thể nhập/xuất các định dạng dữ liệu như STEP và IGES . Người dùng có thể xuất bản các bản vẽ cũng như các tập tin PDF, xuất bản các mô hình 3D chi tiết, cụm lắp ráp trong định dạng SAT hoặc JT, hoặc tạo các file STL đưa ra cho các máy in mẫu 2 chiều và 3 chiều.
Presentation Modeling là môi trường để mô phỏng quá trình lắp ráp các chi tiết lại với nhau theo đúng qui trình lắp ráp thực tế của cụm chi tiết
Sử dụng phân tích trong phần mềm inventor cho phép ta biết được trường ứng suất và biến dạng trong chi tiết dưới tác dụng của các loại tải trọng khác nhau (lực tập trung, lực phân bố theo diện tích, momen, thể tích.)
43
Inventor có thể trao đổi dữ liệu với hầu hết các phần mềm được phát triển bởi Autodesk.
Phần mềm cung cấp rất nhiều công cụ để đơn giản hoá, nhận biết và chuyển đổi sang thiết kế 3D cho những người dùng AutoCAD. [25]
4.1.1.2 Xây dựng mô hình ống đa diện trên inventor 2019
Hình 4. 1 Giao diện chính của Inventor
- Bước 1: Phát thảo tiết diện của ống đa diện.
Trong bước này, khi thiết kế biên dạng cánh hoa trong ống đa diện, chúng ta vẽ hai đường tròn. Sau đó, vẽ hai đường thẳng tiếp tuyến với hai đường tròn.
44
- Bước 2: Dựng khối ống đa diện từ tiết diện 2D
Trong bước này, ta sử dụng lệnh extrude để dựng khối cho ống đa diện.
Hình 4. 3 Dựng khối ống đa diện từ tiết diện 2D
- Bước 3: Dựng bộ góp cho mô hình
Trong bước này, đầu tiên chúng ta đã vẽ biên dạng 2D của bộ góp, sau đó chúng ta sử dụng lệnh revole để xoay tiết diện trên quanh trục đồng tâm với ống đa diện để tạo khối cho bộ góp.
45
Hình 4. 5 Dựng bộ góp
46 - Bước 4: Điền khối vào phần còn rỗng trong mô hình ống đa diện
Hình 4. 7 Điền khối vào phần rỗng của mô hình ống đa diện
- Bước 5: Chọn thuộc tính vật liệu cho mô hình
47
4.1.2 Xây dựng các thông số phân phối ngẫu nhiên
4.1.2.1 Phần mềm matlab
MatLab (MATrix LABoratory) là phần mềm cung cấp môi trường tính toán số và lập trình, do công ty MathWorks thiết kế. Matlab cho phép tính toán số với ma trận, vẽ đồ thị hàm số hay biểu đồ thông tin, thực hiện thuật toán, tạo các giao diện người dùng và liên kết với những chương trình máy tính viết trên nhiều ngôn ngữ lập trình khác như: C, C++, Java, và Fortrain. …
4.1.2.2 Phân phối ngẫu nghiên
Tuỳ vào các hệ thống khác nhau mà random sẽ được thiết kế với các thuật toán khác nhau, nhưng ít nhất cần đảm bảo được các tiêu chí sau:
- Tính ngẫu nhiên của kết quả tạo ra - Tính bảo mật của thuật toán
Quá trình sinh ra random trong máy tính được gọi là Pseudo Random Number Generation (PRNG).
Ba dạng thuật toán sinh ngẫu nhiên tiêu biểu - Linear Congruential Generator (LCG) - Multiply with Carry (MWC)
- Mersenne Twister
Sử dụng phân phối ngẫu nhiên khi tiến hành mô phỏng giúp đảm bảo tính khách quan của số liệu đầu vào khi ta thiết lập mô phỏng.
Hàm phân phối ngẫu nhiên các thông số đầu vào của mô phỏng được viết trên Matlab lần lượt là:
- Hàm phân phối ngẫu nhiên nhiệt độ nước nóng (thot) 0C: 85+2.125*randn(1,2) - Hàm phân phối ngẫu nhiên nhiệt độ nước lạnh (tcold) 0C: 25+0.625*randn(1,2) - Hàm phân phối ngẫu nhiên vận tốc lưu chất (vin) m/s: 2.5+0.0625*randn(1,2)
Bảng 4. 1 Số liệu phân phối ngẫu nhiên thông số đầu vào
thot (0C) tcold (0C) vin (m/s)
1 85.6196 85.4203 25.3360 26.1462 2.5336 2.6146
2 83.2905 86.4803 25.5389 25.1992 2.5539 2.5199
3 84.4821 85.4583 24.7290 25.2141 2.4729 2.5214
4 82.5606 85.2229 26.7309 24.1563 2.6731 2.4156
48 6 84.8247 80.8923 24.8719 24.9224 2.4872 2.4922 7 81.1863 86.7858 25.8806 25.8857 2.5881 2.5886 8 85.2127 83.8429 24.2453 25.4483 2.4245 2.5448 9 83.7243 86.0412 25.3056 25.6467 2.5306 2.5647 10 88.6378 84.5875 24.8103 25.1837 2.4810 2.5184 11 83.2159 87.8785 25.5552 24.2831 2.5555 2.4283 12 87.0420 85.2636 24.4941 23.1598 2.4494 2.3160 13 80.8331 84.5799 25.2032 24.5282 2.5203 2.4528 14 91.1795 86.7536 23.9303 24.9361 2.3930 2.4936 15 82.7514 84.0042 25.1995 25.1955 2.5200 2.5196 16 87.3342 84.4095 24.9812 24.8970 2.4981 2.4897 17 80.6399 84.2481 25.6833 25.6933 2.5683 2.5693 18 81.6488 86.0794 25.0483 24.2412 2.5048 2.4241 19 85.0711 82.1659 24.9957 25.9579 2.4996 2.5958 20 85.7441 84.3645 25.2321 24.8590 2.5232 2.4859 21 84.4433 81.2808 24.3193 25.0203 2.4319 2.5020 22 83.2333 82.9192 25.6879 25.9651 2.5688 2.5965 23 83.8662 80.7444 24.0678 24.5361 2.4068 2.4536 24 86.1051 84.9574 26.4690 24.6152 2.6469 2.4615 25 83.3039 87.1647 24.8797 25.5554 2.4880 2.5555 26 83.4816 87.8717 24.1236 24.1110 2.4124 2.4111 27 83.7483 84.3758 24.8891 24.8775 2.4889 2.4877
4.1.2.3 Dữ liệu phân phối ngẫu nhiên mô phỏng
Bảng 4. 2 Dữ liệu đầu vào chuẩn bị cho quá trình mô phỏng
Mô phỏng Dữ liệu mô phỏng D (mm) d (mm) Dmax (mm) Dmin (mm) L (mm) Thot (0C) Tcold (0C) Vin (m/s) 1 11.5 0.9 2.2 0.9 3.1 85.6196 25.3360 2.5336 85.4203 26.1462 2.6146 2 11.5 0.9 2.4 1 3.3 83.2905 25.5389 2.5539 86.4803 25.1992 2.5199 3 11.5 0.9 2.5 1.1 3.4 84.4821 24.7290 2.4729 85.4583 25.2141 2.5214 4 11.5 1 2.2 1 3.4 82.5606 26.7309 2.6731 85.2229 24.1563 2.4156 5 11.5 1 2.4 1.1 3.1 90.4942 25.4534 2.5453 83.5829 24.9606 2.4961 6 11.5 1 2.5 0.9 3.3 84.8247 24.8719 2.4872 80.8923 24.9224 2.4922 7 11.5 1.1 2.2 1.1 3.3 81.1863 25.8806 2.5881 86.7858 25.8857 2.5886 8 11.5 1.1 2.4 0.9 3.4 85.2127 24.2453 2.4245 83.8429 25.4483 2.5448 9 11.5 1.1 2.5 1 3.1 83.7243 25.3056 2.5306
49
4.1.3 Tiến hành mô phỏng số
4.1.3.1 Giới thiệu về phần mềm ansys
Ansys, Inc. là một công ty cổ phần của Mỹ có trụ sở tại Canonsburg, Pennsylvania. Ansys phát triển và tiếp thị phần mềm mô phỏng kỹ thuật. Phần mềm Ansys được sử dụng để thiết kế các sản phẩm và chất bán dẫn, cũng như tạo ra các mô phỏng để kiểm tra độ bền của sản phẩm, phân bố nhiệt độ, lưu lượng chất lỏng và các tính chất điện từ.
86.0412 25.6467 2.5647 10 15 0.9 2.2 1 3.4 88.6378 24.8103 2.4810 84.5875 25.1837 2.5184 11 15 0.9 2.4 1.1 3.1 83.2159 25.5552 2.5555 87.8785 24.2831 2.4283 12 15 0.9 2.5 0.9 3.3 87.0420 24.4941 2.4494 85.2636 23.1598 2.3160 13 15 1 2.2 1.1 3.3 80.8331 25.2032 2.5203 84.5799 24.5282 2.4528 14 15 1 2.4 0.9 3.4 91.1795 23.9303 2.3930 86.7536 24.9361 2.4936 15 15 1 2.5 1 3.1 82.7514 25.1995 2.5200 84.0042 25.1955 2.5196 16 15 1.1 2.2 0.9 3.1 87.3342 24.9812 2.4981 84.4095 24.8970 2.4897 17 15 1.1 2.4 1 3.3 80.6399 25.6833 2.5683 84.2481 25.6933 2.5693 18 15 1.1 2.5 1.1 3.4 81.6488 25.0483 2.5048 86.0794 24.2412 2.4241 19 18 0.9 2.2 1.1 3.3 85.0711 24.9957 2.4996 82.1659 25.9579 2.5958 20 18 0.9 2.4 0.9 3.4 85.7441 25.2321 2.5232 84.3645 24.8590 2.4859 21 18 0.9 2.5 1 3.1 84.4433 24.3193 2.4319 81.2808 25.0203 2.5020 22 18 1 2.2 0.9 3.1 83.2333 25.6879 2.5688 82.9192 25.9651 2.5965 23 18 1 2.4 1 3.3 83.8662 24.0678 2.4068 80.7444 24.5361 2.4536 24 18 1 2.5 1.1 3.4 86.1051 26.4690 2.6469 84.9574 24.6152 2.4615 25 18 1.1 2.2 1 3.4 83.3039 24.8797 2.4880 87.1647 25.5554 2.5555 26 18 1.1 2.4 1.1 3.1 83.4816 24.1236 2.4124 87.8717 24.1110 2.4111 27 18 1.1 2.5 0.9 3.3 83.7483 24.8891 2.4889 84.3758 24.8775 2.4877
50 ANSYS là một phần mềm bao quát hầu hết các lĩnh vực vật lý, giúp can thiệp vào thế giới mô hình ảo và phân tích kỹ thuật cho các giai đoạn thiết kế. Hầu hết các nhà đầu tư rất thích phần mềm phân tích kỹ thuật này so với những gì chúng làm được và số tiền mà họ phải bỏ ra.
Phần mềm này giúp quá trình thiết kế kỹ thuật được tối ưu hơn, không chỉ làm việc với những thông số biến động, các hàm nhiều cấp bậc, mà còn hỗ trợ làm việc mang tính thích nghi với mô hình kỹ thuật mới. Do đó phần mềm Ansys sẽ giúp nâng cao hiệu quả khi thiết kế, nâng cao tính sáng tạo, giảm bớt ràng buộc, thực hiện các bài kiểm tra mô phỏng mà không thể thực hiện trên những phần mềm khác.
Phần mềm này tạo ra các mô hình máy tính mô phỏng cấu trúc, thiết bị điện tử hoặc linh kiện máy để mô phỏng ứng suất, độ dẻo dai, độ đàn hồi, phân bố nhiệt độ, điện từ, lưu lượng chất lỏng và các thuộc tính khác. Ansys được sử dụng để mô phỏng cách một sản phẩm hoạt động với các thông số kỹ thuật khác nhau, mà không cần làm các sản phẩm thử nghiệm hoặc tiến hành các thử nghiệm va chạm. Ví dụ, phần mềm Ansys có thể mô phỏng một cây cầu sẽ ra sao sau nhiều năm sử dụng, cách xử lý tốt nhất cá hồi trong thùng để tránh lãng phí, hoặc cách thiết kế một tấm ván trượt sử dụng ít vật liệu hơn mà không bị mất an toàn.
Hầu hết các mô phỏng trong Ansys được thực hiện bằng phần mềm Ansys Workbench. Thông thường, người dùng Ansys phá vỡ các cấu trúc lớn hơn thành các thành phần nhỏ được mô phỏng và thử nghiệm riêng lẻ. Người dùng có thể bắt đầu bằng cách xác định kích thước của đối tượng, sau đó thêm trọng lượng, áp suất, nhiệt độ và các đặc tính vật lý khác. Cuối cùng phần mềm Ansys mô phỏng và phân tích chuyển động, tiêu chuẩn phá hủy, lưu lượng chất lỏng, phân bố nhiệt độ, hiệu quả điện từ và các hiệu ứng khác theo thời gian.[26]
4.1.3.2 Các bước tiến hành mô phỏng số trên phần mềm ansys
* Thiết lập mô hình trong ansys
Sau khi khởi động phần mềm Ansys, chúng ta đưa công cụ Geometry vào không gian làm việc và nhập mô hình đã xây dựng trước đó ở Inventor.
Sau khi nhập mô hình vào Geometry, chúng ta khởi động công cụ Geometry và thực hiện một số thiết lập.
51
Hình 4. 9 Giao diện Ansys Workbench 2014
52